基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究_丁龙亭.pdf

现阶段，我国公路网特别是高等级公路网已进入旧道路升级改造和保养维护期，因此，对旧路进行改扩建或加铺具有重要的现实意义1-2。一些学者3-8对旧路状况评价进行了研究，且研究成果为路收稿日期：2023-01-30基金项目：交通运输行业重点科技项目（2020-MS1-043）；山东省交通运输厅科技计划项目（2020B35）；内蒙古自治区交通运输厅科技项目（NJ-2018-23）；山东高速集团科研项目（CYZX-JT-2020-05）作者简介：丁龙亭，男，工程师，博士，主要研究方向为新型路面材料与结构设计及性能提升。引文格式：丁龙亭，李旭，宋志，等.基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究 J.市政技术，2023，41（5）：17-26.（DING LT，LI X，SONGZ，etal.Studyonthestandardofoldexpresswayoverlaybasedonmultiindexjointevaluation J.Journalofmunicipaltechnology，2023，41（5）：17-26.）文章编号：1009-7767（2023）05-0017-10第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.017Journal of Municipal Technology基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究丁龙亭1*，李旭2，宋志3，申全军1，邵先胜4，王选仓5（1.山东高速集团有限公司 创新研究院，山东 济南 250001；2.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114；3.山东高速股份有限公司，山东 济南 250001；4.内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古自治区 呼和浩特 010050；5.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）摘要：为准确分析旧路路面状况，合理优选改扩建加铺方案，依托内蒙古省际大通道工程，全面评价了旧路路面破坏状况，创新性地以行驶质量中的平稳颠簸情况来反映公路基层破坏状况，提出了以弯沉为主、旧路路面破坏状况和行驶质量指数为辅的旧路改扩建加铺标准并联合采用 3D-Radar 和钻芯取样的方法进行了验证与评价。该研究成果可为旧路综合评价和改扩建加铺提供理论依据。关键词：高速公路；旧路评价；加铺标准；3D-Radar；钻芯取样中图分类号：U 416文献标志码：AStudy on the Standard of Old Expressway Overlay Based onMulti Index Joint EvaluationDing Longting1*，Li Xu2，Song Zhi3，Shen Quanjun1，Shao Xiansheng4，Wang Xuancang5（1.Innovation Research Institute，Shandong Hi-speed Group Co.，Ltd.，Jinan 250001，China；2.School of Transportation Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China；3.Shangdong Hi-speed Company Limited，Jinan 250001，China；4.Inner Mongolia Traffic Design and Research Institute Co.，Ltd.，Hohhot 010050，China；5.School of Highway，Chang an University，Xi an 710064，China）Abstract：In order to accurately analyze the condition of the old road surface and rationally optimize the overlay scheme，the inter-provincial corridor project in Inner Mongolia was taken as an example.The damage condition of the old roadsurface was totally evaluated which was innovatively reflected by the stable and bumpy condition during driving；The standard of old road reconstruction was put forward，which was mainly based on bending and subsidence，oldroad pavement damage condition and partially based on driving quality indices；The test was verified and evaluatedby 3D-Radar and core sampling.The research results can provide theoretical basis for the comprehensive evaluationand reconstruction of the old road.Keywords：expressway；old road evaluation；overlay standard；3D-Radar；core samplingJournal of Municipal Technology第41卷面养护维修提供了决策支持。也有学者6-8对路面状况评价做了相关探索，为旧路加铺设计提供了依据。但现有的关于旧路状况和改扩建加铺的研究多集中于路面破坏状况与弯沉控制等方面，对于综合考虑路面结构强度、路面破坏状况和以行驶质量中的平稳颠簸情况反映公路基层破坏状况的研究鲜有涉及。因此，笔者提出一种考虑路面结构强度和路面破坏状况的综合评价方法，对选择旧路改扩建加铺方案具有重要的现实意义。笔者以内蒙古省际大通道为依托工程，全面评价了旧路路面破坏状况，创新性地以行驶质量中的平稳颠簸情况反映基层损坏状况，提出以弯沉为主、旧路破坏状况和行驶质量指数为辅的旧路改扩建加铺标准，并联合采用3D-Radar和钻芯取样的方法进行验证与评价。该研究成果可为旧路综合评价和改扩建加铺提供理论依据。1旧路路面状况评价1.1工程概况内蒙古省际大通道（白音察干安业段公路）为一级公路，全长约178 km。该工程位置与原路面结构见图1。a）工程位置b）原路面结构图1工程位置与原路面结构Fig.1 Location of the project and original pavement structure该公路设计使用年限内，设计车道大型客车和货车累计交通量为8 628 028，通过计算分析得到对应沥青混合料层永久变形的当量设计轴载累计作用次数为3.069 52107，对应无机结合料层疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为2.435 51109，交通等级为重交通。研究工程所在地区一级公路自然区划为西北干旱区（），二级公路自然区划为内蒙草原中干区（1）。从2005年建成通车后，该公路多处路段出现路面病害，存在较大安全隐患。1.2路面状况分析依托该工程，分别从路面破坏状况、行驶质量、车辙深度、抗滑性能、结构强度等方面对旧路路面状况进行全面分析评价，可为改扩建项目和后续研究提供参考依据。1.2.1路面破坏状况分析（见图2）由图2可知，旧路路面整体状况一般，上行方向路面状况指数评价为“良”的路段居多，占76.7%，“良”以下的路段占21.3%；下行方向路面状况指数评价为“良”的路段占74.5%，“良”以下的路段占23.6%，旧路路面破坏状况整体良好。上、下行方向路面病害分类汇总见图3。由图3可知，路面病害以裂缝类和变形类为主。裂缝类病害以横向裂缝、纵向裂缝和网裂为主；变形类病害以车辙为主，且车辙深度多为1020 mm，为中度车辙。1.2.2路面行驶质量分析（见图4）由图4可知，该工程全线上行方向路面的国际平整度指数平均值整体较为稳定，路面行驶质量指18第5期数评价优良率较高，但约有6.0 km的路段路面平整度较差，占全线长度的3.4%；全线下行方向路面的国际平整度指数平均值整体较为稳定，路面行驶质量指数评价优良率较高，但约有2.0 km的路段路面图2旧路路面状况指数分布图Fig.2 Index distribution of old road pavement conditiona）上行方向b）下行方向图3路面病害分类汇总Fig.3 Classification and summary of road surface diseases图4行驶质量指数分布图Fig.4 Distribution diagram of driving quality indicesa）上行方向b）下行方向丁龙亭等：基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究19Journal of Municipal Technology第41卷平整度较差，占全线长度的1.1%。1.2.3路面车辙深度分析（见图5）a）上行方向b）下行方向图5平均车辙分布图Fig.5 Average rutting pattern由图5可知，上行方向行车道平均车辙深度大于超车道，但超车道车辙问题更为严重，且十分显著。由路况调查统计数据可知，上行方向变形类病害以车辙为主，深度多为1020 mm，为中度车辙，总长度8.9 km，占全线长度的5.0%；下行方向变形类病害以车辙为主，深度多为515 mm，为轻度车辙，总长度6.0 km，占全线长度的3.4%。下行方向车辙问题整体较上行方向轻微，且行车道车辙深度略大于超车道，说明下行方向行车道车辙问题较超车道严重。下行方向超车道个别路段车辙问题较为突出，车辙深度多为1620 mm。整体来看，旧路路面车辙情况一般，但有进一步发展的趋势。1.2.4路面抗滑性能分析（见图6）由图6可知，该工程全线行车道构造深度平均值为0.42 mm，超车道构造深度平均值为0.51 mm，故超车道构造深度平均值大于行车道构造深度平均值。依据JTG F80/12017公路工程质量检验评定标准 第一册 土建工程可知，构造深度交工验收值需0.55 mm，因此，该工程行车道与超车道构造深度平均值均小于规范要求的构造深度交工验收值。1.2.5路面结构强度分析分别采用落锤式弯沉仪与贝克曼梁弯沉仪进行路面结构强度检测。通过对比试验得出回归方程，见式（1）。LB=a+bLFWD（R0.95）。（1）式中：LB、LFWD分别为贝克曼梁弯沉仪、落锤式弯沉仪测定的弯沉值；a、b均为拟合系数。将落锤式弯沉仪测定的动弯沉值换算成贝克曼梁弯沉仪测定的回弹弯沉值，并根据计算路面结构强度指数得到旧路路面结构强度状况。旧路上、下行方向代表弯沉值分布见图7。由图7可知，该工程全线路面平均弯沉值均在30（0.01 mm）以上，大于原路面设计弯沉值26.5（0.01 mm）。结合近几年旧路大面积维修、改造情况，左、右幅路面回弹弯沉值均有不同程度增加，路面整体结构强度逐年衰减。2基于多指标分析的旧路状况综合评价与加铺标准2.1问题提出与分析路面加铺或铣刨后加铺处置方案适用条件见表1。20第5期根据JTG D502017公路沥青路面设计规范要求可知，满足表1中的指标之一即可选择加铺或铣刨后加铺的处置方案。依据我国目前改建路面的设计方法，基本按照新建路面方法进行设计，即将b）下行方向图7代表弯沉值分布图Fig.7 Distribution of representative deflection valuesa）上行方向b）下行方向图6构造深度分布图Fig.6 Distribution of structure depthsa）上行方向丁龙亭等：基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究21Journal of Municipal Technology第41卷旧路路面假设为弹性层状体系，进而获得旧路当量回弹模量，根据交通状况和路面调查情况分段拟定改建路面结构，并对路面结构进行验算。根据设计步骤，初步提出旧路综合评价方法与加铺标准。首先分析该工程交通参数，以确定其交通等级，并根据旧路使用期末预期承受的累计当量轴载作用次数和已经承受的累计当量轴载作用次数计算旧路剩余寿命；结合旧路破坏状况，采用弯沉测试对旧路进行均匀路段划分，并计算各路段旧路当量回弹模量值，以确定旧路有效当量回弹模量，进而初步拟定加铺方案。均匀路段情况统计与加铺方案见表2。对划分后的各均匀路段进行基层取芯样分析，发现铣刨基层后加铺路面结构路段（28.0l40.0）中的部分路段基层破损严重，无法取出完整芯样，但也有部分路段基层芯样完整，且具有较好的力学强度。部分弯沉较大路段（28.0l40.0），基层状况基本良好，基层芯样可以完整取出，且具有较好的力学强度。如果改建过程中对该类型路段的基层进行全部铣刨，无疑会造成资源的浪费。因此在确定旧路改扩建加铺方案时，如仅采用弯沉控制评价旧路状况，会对旧路承载能力产生误判，导致过多铣刨，进而造成资源浪费。故应从多角度、多指标综合评价旧路状况，从而更加准确地选择最佳改扩建加铺方案。2.2旧路状况综合评价与加铺方案基于上述分析可知，基层严重破损会影响路面行驶质量，而行驶的平稳颠簸情况则可以侧面反映公路基层破坏状况，旧路破坏状况可以反映路面病害情况。因此，笔者提出基于旧路弯沉、破坏状况和路面行驶质量的旧路检测指标与评价方法，并以此来划分路况基本相似的均匀路段，该方法更加全面客观。根据均匀路段情况确定合适的改扩建加铺方案，更有利于对旧路状况进行综合评价，进而对其进行合理利用。旧路破坏状况评价与加铺方案见表3。根据各结构层材料的设计参数和旧路有效当量回弹模量，计算各均匀路段的弯沉值，使各均匀路段加铺后的新路面弯沉值在一定范围内保持一致，以达到寿命均衡，并根据新路面验算指标对各结构层进行路面结构验算。路面寿命均衡设计见图8。路面弯沉类型（0.01 mm）拟定加铺方案l22.022.0l28.028.0l40.0l40.0直接加铺铣刨面层后加铺铣刨基层后加铺铣刨基层后加铺（设半刚性基层）表2均匀路段情况统计与加铺方案Tab.2 Statistics of uniform road sections and overlay scheme路面弯沉类型（0.01 mm）路面破坏状况路面行驶质量加铺方案-1-2l22.022.0l28.028.0l40.028.0l40.0l40.0路面无明显唧浆、车辙路面无明显唧浆路面破坏率10%20%路面破坏率10%20%路面破坏率大于20%无颠簸，行车平稳轻微颠簸，行车尚平稳轻微颠簸，行车尚平稳明显颠簸，行车不平稳严重颠簸，行车很不稳直接加铺铣刨面层后加铺铣刨面层后加铺铣刨基层后加铺铣刨基层后加铺（设半刚性基层）表3旧路破坏状况评价与加铺方案Tab.3 Comprehensive evaluation of damage condition of old road and overlay scheme指标范围路面破坏率/%裂缝间隙/m网裂面积率/%修补面积率/%路表弯沉10151010大于弯沉临界值表1路面加铺或铣刨后加铺处置方案适用条件Tab.1 Applicable conditions of pavement overlay or overlayafter milling3基于3D-Radar和钻芯取样的验证评价3.1评价方法联合采用3D-Radar和钻芯取样的方法对均匀路段进行验证评价，进而评价旧路状况综合评价方法的准确性和适用性9。由试验结果可知：病害形式有面层病害、基层底内部结构裂缝、贯穿裂缝、层间结合状况、道路内部结构体和构造物病害等。目前，对雷达图像的分析以纵断面图为主，水平切片、横断面图、幅值曲线为辅，其中对雷达图像的解析最为22第5期重要。参照JTG 34502019公路路基路面现场测试规程，采用标准直径覫150 mm的钻头测定各基层芯样的抗压强度与抗压回弹模量，进而评价基层强度状况。3.2旧路状况综合评价方法验证评价3.2.13D-Radar和钻芯取样验证分析对该工程全线进行弯沉测试，并按照表2中的路面弯沉类型对路段进行分类，各路段内均选择25处测点进行钻芯取样，并结合该路段内雷达图像进行分析。1）l22.0路段测试结果分析（见图9）由图9可知，弯沉型路段雷达测试层线清晰，面层和上基层均完整，层间连续。从路面取芯样情况来看，该路段大部分路面结构层芯样完整性较好，面层与基层之间粘结情况较好，基坑内壁完整，部分存在裂缝；个别病害处芯样基层部位松散，但面层部位完整。a）旧路测试弯沉b）加铺后弯沉图8路面寿命均衡设计示意图Fig.8 Schematic diagram of pavement life balance design图9l22.0典型路段测试结果Fig.9 Typical section test results（l22.0）丁龙亭等：基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究23Journal of Municipal Technology第41卷2）22.0l28.0路段测试结果分析（见图10）由图10可知，弯沉型路段雷达测试层线清晰，面层完整，少部分上基层出现松散、层间不连续现象。从路面取芯样情况来看，该路段大部分路面结构层芯样完整性较好，有少部分芯样存在面层与基层之间粘结力较弱的情况，分层现象多；部分芯样取出后基层与面层出现分离现象，极个别病害处芯样面层完整，基层出现松散和开裂现象。图1022.0l28.0典型路段测试结果Fig.10 Typical section test results（22.0l28.0）3）28.0l40.0路段测试结果分析（见图11）由图11可知，弯沉型路段雷达测试显示部分路段基层内杂乱，其中，弯沉-1型路段基层基本完好，未发现明显破损现象，弯沉-2型路段基层存在横向裂缝和少量纵向裂缝。从路面取芯样情况来看，弯沉-2型路段大部分路面结构层芯样存在面层与基层之间粘结力较弱的情况，面层芯样上下贯通开裂、裂缝、破裂和松散等现象较多。病害处基层芯样有明显裂痕，基层底部松散，部分基层芯样破裂或开裂为多块。通过洞壁可看出部分基层内部较为松散，呈蜂窝状。弯沉-1型路段个别基层部位出现松散和开裂现象。4）l40.0路段测试结果分析（见图12）由图12可知，弯沉型路段雷达测试显示基层底层位凸起断裂，有大量横向裂缝和一些纵向裂缝，大部分裂缝贯穿整个面层，面层与上基层部分地方松散，面层与基层之间层离现象严重。从路面取芯样情况来看，该路段大部分路面结构层芯样存在面层与基层之间粘结力很弱的情况，病害处基层存在松散破损现象，大部分基层芯样破裂或开裂为多块，基层不能完整取出。病害严重处面层芯样均破碎或开裂为多块，基层芯样大部分断裂，底部松散。通过洞壁可看出部分基层内部较为松散，呈蜂窝状。3.2.2路面基层芯样力学强度分析在4种路面弯沉类型典型路段中，分别选择合适位置对各路段路面不同病害和状况良好路段的行车道及超车道交叉取样，并测定各基层芯样抗压强度（每种类型取3组有效值）与抗压回弹模量（每种类型取20组有效值）。路面基层芯样力学强度见图13。由图13可知，基层芯样抗压回弹模量和无侧限抗压强度随路面类型变化均呈下降趋势。型、型基层芯样抗压回弹模量均较好，型最大值为1 458 MPa，该处路况较好，型最小值为1 059 MPa；型、型基层芯样抗压回弹模量值均低于1000MPa，型最小值为415 MPa，位于K268+000段上行超车道上，该处路面破坏严重。型路面无侧限抗压强度平均值为24.9 MPa，强度较高；型路面无侧限抗24第5期图1128.0l40.0典型路段测试结果Fig.11 Typical section test results（28.0l40.0）图12l40.0典型路段测试结果Fig.12 Typical section test results（l40.0）压强度值基本为17.625.8 MPa；型路面无侧限抗压强度值分布范围大，部分出现强度不足现象；型路面无侧限抗压强度最大值为16.8 MPa，路面裂缝、沉陷处芯样强度大部分低于10 MPa。综上所述，以弯沉为主、旧路破坏状况和行驶质量指数为辅，对旧路路面进行综合评价，可确定旧路改扩建加铺标准。研究表明，该方法准确可行，可以准确判断旧路承载能力，进而确定旧路剩余价值，能够避免发生由于过多铣刨而造成的资源浪费现象。4结论1）笔者从旧路破坏状况、行驶质量、车辙深度、抗滑性能和结构强度等方面全面评价了内蒙古省丁龙亭等：基于多指标联合评价的高等级公路旧路加铺标准研究25Journal of Municipal Technology第41卷a）基层芯样抗压回弹模量b）基层芯样抗压强度图13路面基层芯样力学强度Fig.13 Mechanical strength of core sample of pavement base际大通道工程旧路路面状况，为旧路评价与加铺方案的确定提供了参考依据。2）基于理论分析和实际工程，确定了旧路均匀路段划分方法，提出了以弯沉为主、旧路破坏状况和行驶质量指数为辅的旧路改扩建加铺标准，并通过联合采用3D-Radar和钻芯取样的方法对均匀路段进行了评价，验证了旧路状况综合评价方法的准确性和适用性。该研究成果可为旧路综合评价和改扩建加铺提供理论依据。参考文献1于华洋，马涛，王大为，等.中国路面工程学术研究综述2020J.中国公路学报，2020，33（10）：1-66.（YUHY，MAT，WANGD W，et al.Review on Chinas pavement engineering research2020J.China journal of highway and transport，2020，33（10）：1-66.）2王朝辉，王选仓.基于沥青加铺层结构疲劳寿命的夹层位置确定J.中国公路学报，2008，21（1）：29-34，58.（WANG C H，WANG X C.Interlayer position ascertainment based on fatiguelife of asphalt overlay structureJ.China journal of highway andtransport，2008，21（1）：29-34，58.）3宋亮.基于灰色理论的改扩建旧路路面检测与评价J.公路，2017，62（7）：88-93.（SONG L.Detection and evaluation of oldroad surface reconstruction and expansion based on grey theoryJ.Highway，2017，62（7）：88-93.）4高捷婷，龚莉.模糊综合评价法在扩建公路效益评价中的应用J.东北林业大学学报，2009，37（2）：101-102.（GAO J T，GONG L.Applicationoffuzzycomprehensiveevaluationtohigh-waywideningprojectJ.JournalofNortheastForestryUniversity，2009，37（2）：101-102.）5金光来，臧国帅，蔡文龙，等.基于探地雷达的路面结构完整性定量化评价方法J.公路，2020，65（5）：16-20.（JIN G L，ZANG G S，CAI W L，et al.Quantitative evaluation method ofpavement structural integrity based on ground penetrating radarJ.Highway，2020，65（5）：16-20.）6付文群，马泽欣，黎康.考虑道路线形拟合的高速公路改扩建加铺设计研究J.公路，2021，66（10）：97-103.（FU W Q，MAZ X，LI K.Research on the design of expressway reconstructionand extension overlay considering the fitting of road alignmentJ.Highway，2021，66（10）：97-103.）7范文军，程鹏，李钦浦.乌干达KE机场高速路沥青路面加铺设计与施工J.公路交通科技（应用技术版），2020，16（9）：123-126.（FAN W J，CHENG P，LI Q P.Design and construction ofasphalt pavement overlay of KE airport 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